CN107957630A - 铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件，包括：基底材料、下层电极、下缓冲层、铌酸锂薄膜、波导耦合器、Y分支波导、上缓冲层、波导耦合器吸收层电极和Y分支波导调制器电极。本发明所述铌酸锂薄膜多功能集成光学器件可实现3dB波导耦合器与Y波导调制器的单片集成，有利于该集成芯片的小型化，可实现光纤陀螺用集成光学器件集成度的提升、光纤陀螺仪体积的缩小以及光纤陀螺系统可靠性的提升。本申请还公开了一种制造上述铌酸锂薄膜多功能集成光学器件的制造方法。

Description

铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺仪等光纤传感技术领域，特别是涉及一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法。

背景技术

光纤陀螺仪当前的技术发展方向之一是分立的集成光学器件的单片集成或混合集成，以实现光纤陀螺仪的小型化和高可靠性。目前所采用的集成技术方案主要有：采用双Y波导芯片对接、采用分光片的光收发模块以及采用环形器的光收发模块。

现有光学调制器的技术方案可参考以下专利文献：

1、新型双Y波导集成光学器件及其制作方法，申请号：201410136408.1

2、光纤传感用光收发组件，授权公告号：CN201508181 U

3、光纤陀螺集成模块和包含它的光纤陀螺系统，授权公告号：CN202994163 U。

然而上述技术方案存在着以下主要问题：

1)双Y波导芯片对接的方案，存在着集成芯片尺寸过长、器件整体尺寸过大的问题，不利于光纤陀螺系统的小型化，容易超出光纤陀螺系统对集成光学器件尺寸的限制；

2)采用分光片的光收发模块以及采用环形器的光收发模块的方案，使用的分光片或环形器为分立光学元件，虽然实现了集成光学器件的模块化、小型化以及无光纤熔接，但是这两种方案无疑有增加了一个分立光学元件，不利于光纤陀螺系统的高可靠性。

发明内容

本发明的目的提供一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法，以解决现有技术中存在的上述问题。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件，由波导耦合器部分I和Y波导调制器部分II组成，包括：基底材料1、下层电极2、下缓冲层3、铌酸锂薄膜4、光学波导5、Y波导调制器电极6、上缓冲层11、波导耦合器吸收层电极7；所述波导耦合器部分I由两个输入波导、Y分支区域、直通耦合波导和两个输出端口组成，输出功率比为50:50；所述Y波导调制器部分II由输入波导、Y分支区域和输出波导组成；所述基底材料1采用Z切Y传切向、厚度在0.1mm至2mm的铌酸锂体晶材料，或采用Z切石英晶体材料，也可采用硅晶体材料；所述下层电极2采用厚度为0.1μm至30μm的金或铝金属薄膜；下缓冲层3和上缓冲层11，采用厚度为0.1μm至5μm的二氧化硅或氧化铝薄膜；所述铌酸锂薄膜4采用具有单晶结构的的铌酸锂薄膜材料，薄膜厚度为0.1μm至10μm，薄膜材料切向为Z切Y传；光学波导5采用退火质子交换波导，其扩散宽度为1μm至7μm，扩散深度为1μm至7μm；Y波导调制器电极6采用厚度为0.1um至30um的金或铝薄膜，制作于上缓冲层上表面，其位置在Y分支波导的Y分支区域上方；波导耦合器吸收层电极7采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜，制作在波导耦合器上表面。

另外，本发明还提供了一种制作上述的铌酸锂薄膜多功能集成光学器件的方法，包括如下步骤：

1)在基底材料1的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝的金属薄膜，作为下层电极2；

2)在下层电极2的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜，作为下缓冲层3；

3)将铌酸锂晶圆与基底材料1进行键合；

4)将键合后的铌酸锂晶圆进行研磨减薄和抛光，将铌酸锂材料的厚度减薄到0.1μm至10μm，形成铌酸锂薄膜4；

5)采用退火质子交换工艺在铌酸锂薄膜4上制备光学波导5，制成3dB波导耦合器和Y分支波导；

6)在铌酸锂薄膜4上表面，采用光刻工艺制备上缓冲层11的图形结构；

7)采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝薄膜，再通过剥离工艺制备出上缓冲层11结构；

8)采用光刻工艺制备Y分支波导调制器电极6和波导耦合器吸收层电极7的图形结构；

9)采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝薄膜，再通过剥离工艺制备出Y分支波导调制器电极6和波导耦合器吸收层电极7；

10)对铌酸锂薄膜多功能集成光学器件芯片端面进行抛光处理；

11)光纤端面耦合，完成铌酸锂薄膜多功能集成光学器件封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，采用具有上下型电极结构的铌酸锂薄膜Y波导调制器，通过提高调制器的电光调制效率以达到大幅缩小Y波导调制器长度。Y波导调制器的小型化为铌酸锂波导耦合器留出了较大的空间，因而可实现Y波导调制器与3dB波导耦合器的铌酸锂薄膜单片集成，并且缩小了芯片尺寸。本发明可实现3dB波导耦合器与Y波导调制器的单片集成，有利于该集成芯片的小型化，可实现光纤陀螺用集成光学器件集成度的提升、光纤陀螺仪体积的缩小以及光纤陀螺系统可靠性的提升。

附图说明

图1所示为本发明的铌酸锂薄膜多功能集成光学器件的结构示意图；

图2所示为本发明铌酸锂薄膜多功能集成光学器件中波导耦合器部分的横截面结构示意图；

图3所示为本发明波导耦合器中第二输出端口部分的横截面结构示意图；

图4所示为本发明铌酸锂薄膜多功能集成光学器件中Y波导调制器部分的横截面结构示意图；

图5所示为本发明铌酸锂薄膜多功能集成光学器件应用于实际光纤陀螺系统实例的结构示意图；

图中，I.波导耦合器部分；II.Y波导调制器部分；1.基底材料；2.下层电极；3.缓冲层；4.铌酸锂薄膜；5.光学波导；6.Y波导调制器电极；7.波导耦合器吸收层电极；8.光源；9.探测器；10.光纤环，11.上缓冲层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个部件或者模块或特征与其他部件或者模块或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了部件或者模块在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件或者模块被倒置，则描述为“在其他部件或者模块或构造上方”或“在其他部件或者模块或构造之上”的部件或者模块之后将被定位为“在其他部件或者模块或构造下方”或“在其他部件或者模块或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该部件或者模块也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-图5所示，本发明提供了一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件，由波导耦合器部分I和Y波导调制器部分II组成，包括：基底材料1、下层电极2、下缓冲层3、上缓冲层11、铌酸锂薄膜4、光学波导5、Y波导调制器电极6；波导耦合器吸收层电极7。

波导耦合器部分I由两个输入波导、Y分支区域、直通耦合波导和两个输出端口组成，输出功率比为50:50。

Y波导调制器部分II由输入波导、Y分支区域和输出波导组成。

基底材料1采用Z切Y传切向、厚度在0.1mm至2mm的铌酸锂体晶材料，或采用Z切石英晶体材料，也可采用硅晶体材料。

下层电极2采用厚度为0.1μm至30μm的金或铝等金属薄膜。

下缓冲层3和上缓冲层11，采用厚度为0.1μm至5μm的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜。

铌酸锂薄膜4采用具有单晶结构的的铌酸锂薄膜材料，薄膜厚度为0.1μm至10μm，薄膜材料切向为Z切Y传。

光学波导5采用退火质子交换波导，其扩散宽度为1μm至7μm，扩散深度为1μm至7μm。

Y波导调制器电极6采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜，制作于上缓冲层上表面，其位置在Y分支波导的Y分支区域上方。

波导耦合器吸收层电极7采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜，制作在波导耦合器上表面。

上述的铌酸锂薄膜多功能集成光学器件的制造方法如下：

1)在基底材料1的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜等工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝等金属薄膜，作为下层电极2；

2)在下层电极2的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜等工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜，作为下缓冲层3；

3)将铌酸锂晶圆与基底材料1进行键合；

4)将键合后的铌酸锂晶圆进行研磨减薄和抛光，将铌酸锂材料的厚度减薄到0.1μm至10μm，形成铌酸锂薄膜4；

5)采用退火质子交换工艺在铌酸锂薄膜4上制备光学波导5，制成3dB波导耦合器和Y分支波导；

6)在铌酸锂薄膜4上表面，采用光刻工艺制备上缓冲层11的图形结构；

7)采用蒸发镀膜或溅射镀膜等工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜，再通过剥离工艺制备出上缓冲层11的结构；

8)采用光刻工艺制备Y分支波导调制器电极6和波导耦合器吸收层电极7的图形结构；

9)采用蒸发镀膜或溅射镀膜等工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝等金属薄膜，再通过剥离工艺制备出Y分支波导调制器电极6和波导耦合器吸收层电极7；

10)对铌酸锂薄膜多功能集成光学器件芯片端面进行抛光处理；

11)光纤端面耦合，完成铌酸锂薄膜多功能集成光学器件封装。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件，其特征在于，由波导耦合器部分I和Y波导调制器部分II组成，包括：基底材料(1)、下层电极(2)、下缓冲层(3)、铌酸锂薄膜(4)、光学波导(5)、Y波导调制器电极(6)、上缓冲层(11)；波导耦合器吸收层电极(7)，所述波导耦合器部分I由两个输入波导、Y分支区域、直通耦合波导和两个输出端口组成，输出功率比为50:50；所述Y波导调制器部分II由输入波导、Y分支区域和输出波导组成；所述基底材料(1)采用Z切Y传切向、厚度在0.1mm至2mm的铌酸锂体晶材料，或采用Z切石英晶体材料，也可采用硅晶体材料；所述下层电极(2)采用厚度为0.1μm至30μm的金或铝金属薄膜；下缓冲层(3)和上缓冲层(11)，采用厚度为0.1μm至5μm的二氧化硅或氧化铝薄膜；所述铌酸锂薄膜4采用具有单晶结构的的铌酸锂薄膜材料，薄膜厚度为0.1μm至10μm，薄膜材料切向为Z切Y传；光学波导(5)采用退火质子交换波导，其扩散宽度为1μm至7μm，扩散深度为1μm至7μm；Y波导调制器电极(6)采用厚度为0.1um至30um的金或铝薄膜，制作于上缓冲层上表面，其位置在Y分支波导的Y分支区域上方；波导耦合器吸收层电极(7)采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜，制作在波导耦合器上表面。

2.一种如权利要求1所述的铌酸锂薄膜多功能集成光学器件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在基底材料(1)的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝的金属薄膜，作为下层电极(2)；

2)在下层电极(2)的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜，作为下缓冲层(3)；

3)将铌酸锂晶圆与基底材料(1)进行键合；

4)将键合后的铌酸锂晶圆进行研磨减薄和抛光，将铌酸锂材料的厚度减薄到0.1μm至10μm，形成铌酸锂薄膜(4)；

5)采用退火质子交换工艺在铌酸锂薄膜(4)上制备光学波导(5)，制成3dB波导耦合器和Y分支波导；

6)在铌酸锂薄膜(4)上表面，采用光刻工艺制备上缓冲层(11)的图形结构；

7)采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝薄膜，再通过剥离工艺制备出上缓冲层(11)结构；

8)采用光刻工艺制备Y分支波导调制器电极(6)和波导耦合器吸收层电极(7)的图形结构；

9)采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝薄膜，再通过剥离工艺制备出Y分支波导调制器电极(6)和波导耦合器吸收层电极(7)；

10)对铌酸锂薄膜多功能集成光学器件芯片端面进行抛光处理；

11)光纤端面耦合，完成铌酸锂薄膜多功能集成光学器件封装。